第5章 存储器 本章学习主要内容为： 存储器的分类及性能指标。 存储器的分级结构。 常用存储芯片与CPU的接口特性。 存储器的接口设计。 高速缓冲存储器（cache）。 虚拟存储器。

第5章 存储器 5.1 存储器概述 5.2 内存的组织原理与设计 5.3 高速缓冲存储器(cache) 5.4 虚拟存储器

5.1 存储器概述 一、存储器的分类及主要性能指标 1. 存储器的分类 从不同的角度出发，存储器有不同的分类方式。 1）按工作时与CPU的联系密切程度分类，可分为主存（内存）和辅存（外存）。 2）按存储器元件材料分类，可分为半导体存储器、磁存储器和光存储器。计算机内部均使用半导体存储器，光磁材料存储器用作大容量辅存。 3）按制造工艺的不同，可把半导体存储器分为双极型和MOS型两大类。双极型读/写速度快，但功耗大，集成度低，价格高，一般用于CPU内部寄存器组或快存。MOS型功耗小，集成度高，用于大容量的内存。 4）按存储器读/写工作方式分类，可将内存为只读ROM（Read Only Memory）和随机读/写存储器RAM(Random Access Memory)等。

常用的MOS型半导体存储器分类如下： （1）ROM只读存储器 掩膜ROM； PROM（可编程ROM）； EPROM（紫外线可擦PROM）； （2）RAM随机存取存储器 SRAM（静态RAM）； DROM（动态RAM）； IRAM（组合RAM）。 （3）SAM顺序存取存储器 FIFO（先进先出存储器）； CCD（电荷耦合器件）； MBM（磁泡存储器）。

2. 存储器的性能指标 1）存储容量 存储容量是指存储器可以存储的二进制信息总量。表示方法是：容量=字数×字长。 2）存取速度 3）功耗 4）负载 5）可靠性 6）性能价格比

二、存储器的分级结构 第一级是寄存器，最高一级的存储器，内含在CPU中，读/写操作速度最快。 第二级是高速缓冲存储器（cache）,是介于CPU与常规主存储器之间的一级或两级高速小容量存储器。其存取速度比主存快一个数量级，大体与CPU处理速度相当。 第三级是内存储器。 最低一级存储器是大容量的外存，如磁带、软盘、硬盘、光盘等。

三、常用存储芯片与CPU的接口特性 1.EPROM的接口特性 1）引脚图及功能说明

2）芯片与CPU的连接方法 （1）低位地址线、数据线、电源线直接相连。 （2）编程电源通常由开关控制。

2. SRAM的接口特性 1）芯片引脚图及功能

2）芯片与CPU连接方法 （1）低位地址线、数据线、电源直接相连； （2）高位地址线经译码后驱动片选信号CE； （3）控制总线组合形成读/写控制信号WE或OE/WE。 如图5.4所示。

3. DRAM的接口特性 1）一般DRAM芯片的接口特性

2) CPU控制刷新的DRAM接口逻辑 返回

5.2 内存的组织原理与设计 一、存储器结构的确定 1.内存的分区结构 内存使用分区方式进行层次化组织，内存分为基本内存区（conventional memory）、高端内存区（supper memory）、扩充内存区（expanded memory）和扩展内存区（extended memory）。

1）基本内存区 基本内存区主要供DOS操作系统使用。

2）高端内存区 高端内存区留给系统ROM和外部设备的适配卡缓冲区使用。

3）扩充内存区 扩充内存区早先是在16位微型计算机系统中为了扩大内存空间而采用的技术，扩充内存区通过在总线槽上插内存扩充卡来扩大内存空间，最大扩充容量为32MB。扩充内存实际上是CPU直接寻址范围以外的物理存储器，对于16位CPU来说，直接寻址的内存空间为1MB，1MB之外的内存区即为扩充内存。 4）扩展内存区 扩展内存是32位微型计算机系统中才有的内存区，这是指1MB以上，但不是通过内存扩充卡映射来获得的内存空间，扩展内存在32位CPU的寻址范围内，其大小随具体系统的内存配置而定。

2. 16位和32位微型计算机系统的内存组织 1）16位微型计算机系统的内存组织

2）32位微型计算机系统的内存组织

二、存储器芯片的选择 1.RAM和ROM选用 （1）存放当前正在执行的程序和数据。 （2）作为I/O数据缓冲存储器。 （3）作为中断服务程序和子程序中保护CPU现场信息的堆栈（Stack）。 （4）在后备电源（一般是可充电电池）及掉电保护电路的支持下，作为存放系统配置参数和高级芯片状态参数的存储器。

2. RAM类型的选用 （1）SRAM状态稳定，接口简单，速度高，但集成度低，成本高，功耗也较大，所以一般用于高速缓存器和小容量内存系统（例如，单片机开发系统，单板机系统）的设计中。 （2）DRAM比SRAM集成度高，功耗小，位价格低，一般普遍用来组成大容量内存系统和各种I/O适配卡的I/O数据缓存器。 （3）IRAM是将动态刷新电路集成于DRAM芯片内部的新型DRAM芯片，兼具有SRAM和DRAM的优点，预计其应用会越来越广，特别是在中、小容量的存储系统中。

3. ROM类型的选用 掩膜ROM和PROM只用于大批量生产的微型计算机产品中，在产品研制和小批量生产时，可选用EPROM或E2PROM芯片，以便于多次修改程序或用户编程。 闪速存储器（Flash Memory）是一种20世纪80年代末才由Intel公司推出的，之后发展最快且前景最好的新型存储芯片。 4. 芯片型号的选用 在具体选用芯片型号时，通常应考虑存取速度、存储容量和结构以及价格这3个因素。 考虑存取速度时，最好选与CPU时序相匹配的芯片。

存储器与地址总线的连接/转换，本质上就是在地址分配的基础上实现地址译码，以保证CPU能对存储器中的所有单元正确寻址。主要包括两方面： 三、存储器接口的设计 存储器接口的设计，实际上就是要解决存储器同CPU三大总线的正确连接与时序匹配问题。 1.与地址总线的连接/转换 存储器与地址总线的连接/转换，本质上就是在地址分配的基础上实现地址译码，以保证CPU能对存储器中的所有单元正确寻址。主要包括两方面： 高位地址线译码，用以选存储芯片； 低位地址线连接，用以通过片内地址译码器选存储单元。

根据对高位地址总线的译码方案不同，片选控制方法通常有线选法、全译码法和局部译码法3种。 1）线选法

2）全译码法

3）局部译码法

2. 与控制总线的连接/转换 3. 与数据总线的连接/转换 对于存储器来说，与控制总线有关的外部接口信号线，除如上所述的片选控制线外，主要还有两类：一是读/写控制线，用于决定操作类型；二是行选通、列选通信号线（仅对DRAM芯片），用于控制DRAM的行、列地址线输入和动态刷新。 3. 与数据总线的连接/转换 在微型计算机中，无论字长是多少，一般每个存储模块（8位机为单一存储模块，16位机为双模块，32位机为4模块）都是以一个字节为基本单位来划分存储单元的，即每8位为一个存储单元，对应一个存储地址。但由于存储芯片的内部结构不同，有的芯片一个地址对应8个存储位，有8条数据引线，例如2716和2128；而有的芯片一个地址对应4位，数据引线只有4条．例如2114；还有的芯片只有一个存储位，只有一根数据输入、输出线，例如2118。当用这些存储字长不是8位的芯片构成内存时，必须用多片合在－起，并行构成具有8位字长的存储单元。例如2114，需同时用两片；而2118，则需同时用8片。而在用多片构成存储单元时，其地址线、控制线完全是并联在一起的，数据线则分别接在数据总线的不同位线上。

四、小型存储器设计举例 设计小型存储器的一般步骤如下： （1）根据系统实际装机存储容量，确定存储器在整个存储空间中位置。 （2）选择合适的存储芯片。①根据系统性能指标要求选择芯片类型（RAM或ROM）与型号。②确定芯片数量：若存储容量为M×N位，所用芯片容量为L×K位，则系统字、位同时扩展需（M/L）×（N/K）个芯片。 （3）画地址位图。即按系统所提供地址总线A15～A0对所设计存储空间进行地址编码，分出低位地址线选择片内各单元，高位地址线确定片选择译码逻辑。 （4）画出所设计存储器原理图，需要时指明每片地址范围。图中包括地址线连接及译码电路、数据线连接、读/写控制线连接及其控制逻辑电路等。

【例5.1】 设计一个12KB容量的存储器，要求EPROM区为8KB，从0000H开始，采用2716（2KB）芯片；RAM区为4KB，从2000H开始，采用2128或6116（2KB）。系统提供16为地址线、8根数据线。 解：①系统需要4片2716，2片6116。因为地址范围明确，且2716和6116容量尺寸相同，故使用74LS138即可完成全部片选任务。 ②画地址位图，以获得译码关系和每片地址范围。 ③画连接图：如图5.15所示。 各存储器芯片的地址范围如下： 2716（1）：0000H～07FFH 2716（2）：0800H～0FFFH 2716（3）：1000H～17FFH 2716（4）：1800H～1FFFH 6116（1）：2000H～27FFH 6116（2）：2800H～2FFFH

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5.3高速缓冲存储器(cache) 1. cache存储器工作原理 在存储系统的层次结构中引入cache是为了解决CPU与主存之间的速度差异，以提高CPU工作效率。 CPU与主存之间的数据传输都必须经过cache控制器，cache控制器将来自CPU的数据读写请求传递给高速缓冲存储器cache进行相应的处理。图5.16给出了cache的逻辑结构。

2. cache存储器的替换算法 (1)先进先出算法(FIFO)。 (2)近期最少使用算法(LRU)。 3.多层次cache存储器 返回

5.4 虚拟存储器 1.虚拟存储原理 虚拟存储系统是在存储层次结构基础上，通过存储器管理部件MMU进行虚拟地址和实际地址自动变换而实现的，对每个编程者是透明的，编址空间很大。 虚拟存储器和cache的区别： (1)cache用于弥补主存与CPU的速度差距，而虚拟存储器则用来弥补主存和辅存之间的容量差距。 (2)cache每次传送的信息块是定长的，只有几十字节，而虚拟存储器信息块可以分页、分段等，长度很大，达几百或几千字节。 (3)CPU可以直接访问cache，而CPU不能直接访问辅存。 (4)cache存取信息的过程、地址变换和替换算法等全部由辅助硬件实现，并对程序员是透明的，而虚拟存储器则由辅助软件(操作系统的存储管理软件)和硬件相结合来进行信息块的划分和程序的调度。

2. 虚拟存储器分类 1）页式虚拟存储器 2）段式虚拟存储器 3）段页式虚拟存储器 返回